掩埋海底管道探測方法及新技術應用研究

楊 敏 , 宋 湦 王 芳, 宮文寧

(1.中國海洋大學, 山東 青島; 2.國家海洋局 北海海洋技術保障中心, 山東 青島; 3.國家海洋局 煙臺海洋環境監測中心站, 山東 煙臺; 4.國家海洋局 北海標準計量中心, 山東青島)

在海洋油氣資源開發中, 最常用和有效的油氣輸運方法是使用海底管道進行輸送, 因此, 隨著海洋油氣資源的不斷開發, 海域內所鋪設的海底管道數量越來越多, 密度不斷增高, 種類越來越復雜。這些海底管線長期在海洋復雜環境下工作, 出現懸空、平面位移、管體損傷等情況, 與原始設計狀態有很大差異, 但未得到精確探測與校核, 存在很多事故隱患, 對環境和生產造成極大的威脅[1]。因此, 準確探明海底管道的狀態和位置, 評價其安全風險, 對于預防和排除安全隱患非常重要[2]。另一方面, 我國的海底管道鋪設歷史已有數十年, 目前早期的海底管道已經或者即將超過其設計使用年限, 對于到期的海底管道處置提上議程, 擱置海底肯定不是辦法,最好的辦法還是將其撈起后集中處置, 為便于打撈,準確探明其位置和狀態也非常必要。

目前國內外探測海底管道的方法很多, 通常有人工潛水探摸、ROV技術、測深技術(包括多波束測深)、側掃聲吶、海洋磁力儀、淺地層剖面儀等[2]。這些方法和技術, 大部分是對出露海底的管道有很好的探測效果, 而對于掩埋的海底管道探測手段相對單一而不系統, 準確探測掩埋海底管道的埋深和狀態仍然是世界性難題。針對這一問題, 本文將探討掩埋海底管道探測方法和新技術應用, 提出綜合的探測建議。

1 掩埋海底管道探測方法

掩埋海底管道的探測, 目前實際應用的手段不多, 主要是磁力探測和淺地層剖面儀探測, 以后者為主要手段。

1.1 磁力儀探測

海洋磁力儀是在磁法勘察基礎上發展起來的,是一種測量地球磁力場精度很高的磁場測量設備,是地球物理調查的重要內容, 特別是在海洋地球物理調查中, 大面積地震調查比較困難, 所以磁法勘察就更為重要。世界各國對海洋調查越來越重視, 磁法勘察儀器也得以快速發展。經過幾十年的發展, 海洋磁力儀在靈敏度、分辨率和精度等方面有了很大提高, 并出現了多種類型的海洋磁力梯度儀。

磁力儀利用巖土介質之間的磁性差異所引起的磁場變化來查明海底構造或解決其他地質問題[1]。海洋磁力儀的應用范圍很廣, 除了包括科研方面的常規地球物理調查外, 在工程方面的應用也越來越廣泛, 在諸如海底油氣管線、海底光纜及通訊電纜調查, 在海洋石油工業中的鉆探井場調查, 事故處理方面海底沉船、失事飛機的尋測等, 都廣泛使用海洋磁力儀。在環境保護方面, 對河流、湖泊、港口的污染沉積物探測等等。磁力儀在軍事上的作用也越來越受到重視, 如在反潛、搜尋海底軍火等方面的應用。

海洋磁力儀應用于海底管道探測, 是因為海底管道使正常的磁場分布發生了變化, 從而產生了磁異常, 就可以利用磁力儀探測出這些磁異常的分布。磁力儀可以探測各種不同直徑的海底管道, 但只能探測其平面位置, 不能探測其懸空或埋藏深度, 并且只能探測金屬物體, 對于非金屬材料管道無能為力。需結合聲吶、多波束和淺地層探測等資料進行綜合分析[1]。

1.2 淺地層剖面儀探測

淺地層剖面儀是20世紀60~70年代問世的一種水下聲波探測系統, 它所發射的低頻聲波對海底有一定的穿透深度, 是利用聲波在介質中傳播時遇到不同聲學特性的分界面時會發生反向散射, 接收反向散射聲波并按回波的時間先后、并用灰度等級或色彩來表征回波的強度在平面上繪制出好象瀑布一樣的剖面圖, 這種平面圖可以直觀的看到水底以下地質構造情況。地層剖面儀廣泛應用于海洋地質調查、港口建設、航道疏浚、海底管線布設以及海上石油平臺建設等方面。與鉆孔取樣相比, 利用剖面儀進行地質調查具有操作方便, 探測速度快, 記錄圖像連續且經濟等優點[3]。

當地層中有管道時, 由于地層與管道的界面兩側聲阻抗差異較大, 容易形成強烈的反射波, 同時在這一界面處常常產生繞射波, 而繞射波在時距剖面圖像上為雙曲線反映, 雙曲線頂部位置距航跡的直線距離最近, 在淺剖圖像中, 埋藏管道的雙曲線頂部位于海床面以下, 可以據此判斷管道埋藏深度;出露管道的雙曲線頂部位于海床面之上, 可以據此判斷管道的暴露高度(圖1)。由上面論述可知, 淺地層剖面可以探測埋藏海底管道, 通過時距剖面上的特征圖像就能確定管道的位置及其埋深[4]。

圖1 淺地層剖面記錄圖譜記錄的埋藏海底管道

淺地層剖面儀根據頻率和功率的不同, 分為深層、中層、淺層多種穿透能力的不同類型, 海底管道探測一般使用高頻、高分辨率、穿透較小的剖面儀,通常稱為管線探測儀, 主要有 SES-96、SES2000參量陣剖面儀、Chirp III淺地層剖面儀、EdgeTech 3100P便攜式淺地層剖面儀, 這些設備一般使用高頻高分辨技術, 垂向分辨率可以達到幾厘米。因為海底管道管徑一般在 20~100cm, 埋深一般不大于 2m,高分辨剖面儀對其有很好的探測效果。

但是剖面儀有其固有的缺陷, 在探測作業時測線必須垂直于海底管道軸向才能探測到管道, 作業時測線布設基本原則是垂直管道走向布設, 一般采用以管道的走向為軸線, 按“Z”字形式走航測量的方式來進行測量, 平行管道布設測線探測不出管道。這樣大大降低了探測效率和作業難度, 并且探測的僅僅是測線和管道相交時的一個點, 不能連續探測管道。

2 新技術應用

為解決埋藏海底管道的探測難題, 世界各國都在探索有效的探測技術, 其中低頻合成孔徑聲吶技術是其中之一, 隨著不斷的技術進步, 這項技術逐漸趨于成熟, 接近應用的水平。同時, 近一兩年國外出現了三維海底成像系統。

2.1 合成孔徑聲吶

合成孔徑聲吶是國內外海洋探測領域的研究熱點和前沿之一, 它通過二維或三維的成像結果, 使人們獲取對水底地形地貌直觀而準確的資料。合成孔徑聲吶是一種高分辨率成像聲吶, 是成像聲吶新的發展趨勢?；驹硎抢眯〕叽缁囇乜臻g的勻速直線運動來虛擬大孔徑的基陣, 從而獲得沿運動方向的高分辨率。做法是在運動軌跡上的順序位置發射并接收回波信號, 根據空間位置和相位關系,對不同位置的回波信號進行相干疊加處理進而獲得運動方向的高分辨率。

合成孔徑技術主要有兩項優點, 一是對目標的分辨能力與距離和采用的聲信號頻率無關, 因此既可以采用高頻信號進行高分辨率成像, 也可以采用低頻發射信號進行掩埋目標的探測; 二是可以采用小尺度的聲吶基陣獲得高分辨率的目標圖像,且方位向分辨率在全測繪帶上保持恒定高分辨率,不受作用距離影響。合成孔徑技術兼具高分辨率的特點和沉底、半掩埋、掩埋目標的探測能力, 是掩埋目標探測的理想技術。圖2為合成孔徑聲吶工作原理圖。

圖2 合成孔徑原理圖

隨著水下導航和高速數字信號處理等技術的快速發展以及多子陣成像和運動誤差估計等方面研究工作不斷取得新的進展, 合成孔徑聲吶(Synthetic Aperture Sonar, SAS)研究取得快速發展。在水下拖曳平臺、水下無人移動平臺(Underwater Unmanned Vehicle, UUV)等多種平臺應用均取得重大成功; 在地貌成像、沉底小目標成像、掩埋小目標成像、海底管道探測、海底光纜探測等多種任務中均取得重要進展。鑒于合成孔徑聲吶在國防領域和國民經濟領域極具應用前景, 世界各主要海洋國家均在大力發展合成孔徑聲吶技術。目前, 法國、美國、英國、意大利、中國等國家在合成孔徑聲吶領域處于領先地位。

國內目前有高技術企業先后生產了高頻合成孔徑聲吶(110kHz), 低頻合成孔徑聲吶(12kHz), 中頻合成孔徑聲吶(20kHz)以及高低頻雙頻合成孔徑聲吶。完成了多型拖曳式合成孔徑聲吶設備生產的同時, 還完成了UUV合成孔徑聲吶設備的研制。在雙頻合成孔徑成像技術方面居于國際領先地位, 生產的雙頻合成孔徑聲吶工程樣機, 多次進行海上試驗,實現了對水下掩埋目標的探測。

雙頻合成孔徑聲吶在進行海底管道探測時, 最大可探測 300m范圍, 探測深度可達 2m。在探測范圍內, 無論管道怎么走向, 都可以探測出連續的管道圖像(圖3), 并很方便的對海底管道進行跟蹤探測。這很好的解決了淺地層剖面儀只能垂向交點探測的不足, 大大提升了探測精度和工作效率, 是掩埋海底管道探測的有效技術手段。

圖3 海底石油管線成像結果(a.低頻圖像, b.高頻圖像)

雙頻合成孔徑聲吶探測的不足是, 目前對掩埋深度只能進行定性判斷, 尚不能定量的計算埋藏深度。在以后解決了埋深計算的問題后, 低頻合成孔徑聲吶是比較完美的掩埋海底管道探測技術。

2.2 三維海底成像系統

所謂三維海底成像系統, 是通過對高低頻探測技術的組合設計, 加上高效率的處理軟件, 形成對一定尺度和范圍海底的三維探測成像記錄, 在三維記錄圖中, 可以準確判斷地層及其中的物體(包括掩埋海底管道)的尺度。目前正在國內推廣的如Sub-Bottom Imager (SBI)海底成像器, 可以對海底以下 5m×5m(寬×深)的地層形成測繪帶, 可以達到10cm 的三維分辨率, 并且可以裝配到船舶、ROV、AUV等平臺, 具有一定的靈活性(圖4, 圖5)。

圖4 三維海底成像系統工作示意圖

圖5 三維海底成像系統工作效果圖

應用于掩埋管道探測雖然準確性高, 缺點也比較明顯, 一是由于探測范圍小, 需要很好的定位能力, 很難準確的定位在管道的位置上; 二是效率較低, 成本高。

3 結論

通過上面的分析, 掩埋海底管道探測技術有多種[5-6], 都有其優點, 也都有其局限性, 表1列出了各種技術優缺點的對比。

表1 各種探測技術對比

準確探測掩埋海底管道位置和狀態是一個世界性難題, 雖然有多種儀器設備可以進行探測, 但由于各種儀器本身功能的局限, 很難一種設備兼具準確和高效率。在目前情況下, 最可行的辦法是綜合運用多種手段[7-8], 進行掩埋海底管道狀態的探測。在上面介紹的幾種方法中, 首先使用磁力儀和合成孔徑聲吶技術, 初步確定掩埋海底管道的位置和粗略掩埋情況, 對于需要精確探測埋深的路由段, 使用淺地層剖面儀進行探測, 確定準確埋深。這樣綜合運用探測手段, 充分發揮各儀器設備的特長, 達到既提高探測效率, 又滿足準確性的要求。同時在進行數據處理時, 將磁力儀、合成孔徑聲吶、淺剖等數據進行綜合分析, 對各項探測結果進行相互檢核, 從而最終確定管道在海底的準確位置和狀態。

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